JP2005308825A - Display element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、表示素子に関し、詳細には、高速応答で広視野の表示性能を持つ表示素子に関するものである。 The present invention relates to a display element, and more particularly, to a display element having a high-speed response and a wide-field display performance.
現在、多種の表示素子が知られており、その中でも液晶表示素子は、薄型で軽量、かつ低消費電力のディスプレイ素子であり、テレビやビデオなどの画像表示装置や、モニター、ワープロ、パーソナルコンピュータなどのOA(Office Automation)機器に広く用いられている。 Currently, a variety of display elements are known. Among them, liquid crystal display elements are thin, lightweight, and low power consumption display elements, such as image display devices such as televisions and videos, monitors, word processors, personal computers, etc. It is widely used in OA (Office Automation) equipment.
従来から、ネマティック液晶を用いたツイステッドネマティック(TN)モ−ドの液晶表示素子が実用化されている。しかしながら、このTNモ−ドの液晶表示素子は、応答速度が遅く、視野角が狭いといった欠点がある。 Conventionally, a twisted nematic (TN) mode liquid crystal display element using a nematic liquid crystal has been put into practical use. However, this TN mode liquid crystal display device has the disadvantages that the response speed is slow and the viewing angle is narrow.
さらに、強誘電性液晶(FLC)または反強誘電性液晶(AFLC)などの表示モ−ドも知られており、これらは応答速度が速く、かつ、視野角が広いという特性を備えている。しかしながら、これらの表示モードは、耐ショック性や温度特性などに大きな欠点があり、広く実用化されるまでには至っていない。 Furthermore, display modes such as a ferroelectric liquid crystal (FLC) or an antiferroelectric liquid crystal (AFLC) are also known, and these have the characteristics that the response speed is high and the viewing angle is wide. However, these display modes have major drawbacks in shock resistance, temperature characteristics, etc., and have not yet been widely put into practical use.
また、光散乱を利用する高分子分散型液晶表示素子は、偏光板を必要とせず、高輝度表示が可能であることが知られている。しかしながら、この高分子分散型液晶表示素子は、画像表示の応答特性の面で課題を有しており、上記のTNモードの液晶表示素子よりも優れた液晶表示素子であるとは言えない。 Further, it is known that a polymer dispersion type liquid crystal display element using light scattering does not require a polarizing plate and can display with high luminance. However, this polymer-dispersed liquid crystal display element has a problem in terms of response characteristics of image display, and cannot be said to be a liquid crystal display element superior to the above-described TN mode liquid crystal display element.
上述した各種表示素子(液晶表示素子)は、電界印加による分子の回転を利用した表示機構であるが、近年では、これとは異なる表示機構が提案されている。具体的には、電界印加により光学的異方性が変化する物質、特に、電気光学効果による配向分極または電子分極を示す物質を用いた表示素子である。上記電気光学効果とは、物質の屈折率が外部電界によって変化する現象のことをいう。また、電気光学効果には、電界の1次に物質の屈折率が比例する効果と、電界の2次に物質の屈折率が比例する効果とがあり、それぞれポッケルス効果、カー効果と呼ばれている。 The various display elements (liquid crystal display elements) described above are display mechanisms that use the rotation of molecules by applying an electric field, but recently, different display mechanisms have been proposed. Specifically, it is a display element using a substance whose optical anisotropy changes when an electric field is applied, in particular, a substance showing orientation polarization or electronic polarization due to an electro-optic effect. The electro-optic effect refers to a phenomenon in which the refractive index of a substance is changed by an external electric field. In addition, the electro-optic effect has an effect in which the refractive index of the substance is proportional to the primary of the electric field and an effect in which the refractive index of the substance is proportional to the secondary of the electric field. Yes.
カー効果を示す物質は、特に、高速の光シャッターへの応用が早くから進められている。そのため、特殊な計測機器への実用化がなされている。カー効果は1875年にJ. Kerr(カー)によって発見されたものであり、カー効果を示す物質の屈折率は、印加電界の2次に比例するものである。したがって、カー効果を示す物質を配向分極に用いると、ポッケルス効果を示す物質を配向分極に用いた場合に比べて低電圧駆動を見込むことができる。さらに、カー効果を示す物質は、数マイクロ秒〜数ミリ秒の応答特性を示すので、表示装置による表示を入力電圧に対して高速に応答させるために用いられることが期待される。 Substances exhibiting the Kerr effect have been applied to high-speed optical shutters from an early stage. Therefore, it has been put into practical use for special measuring instruments. The Kerr effect was discovered by J. Kerr in 1875, and the refractive index of a substance exhibiting the Kerr effect is proportional to the second order of the applied electric field. Therefore, when a material exhibiting the Kerr effect is used for orientation polarization, a lower voltage drive can be expected than when a material exhibiting the Pockels effect is used for orientation polarization. Furthermore, since a substance exhibiting the Kerr effect exhibits a response characteristic of several microseconds to several milliseconds, it is expected to be used to cause a display by a display device to respond to an input voltage at high speed.
従来では、カー効果を示す材料として、ニトロベンゼンや二硫化炭素などが知られており、これら材料は、例えば、前記した光シャッターの他に、電力ケーブル等の高電界強度測定等に利用されている。電力ケーブル等における高電界強度を測定するために利用されていた。その後、液晶材料もカー効果を示すことが発見され、光変調素子、光偏光素子、更には光集積回路応用に向けての基礎検討が行われた。そして、ニトロベンゼンの200倍を越えるカー定数を示す液晶化合物も報告されている。 Conventionally, nitrobenzene, carbon disulfide, and the like are known as materials exhibiting the Kerr effect, and these materials are used for, for example, high electric field strength measurement of power cables and the like in addition to the optical shutter described above. . It was used to measure high electric field strength in power cables and the like. Later, it was discovered that liquid crystal materials also exhibit the Kerr effect, and basic studies for application to optical modulation elements, optical polarization elements, and optical integrated circuits were conducted. Liquid crystal compounds exhibiting a Kerr constant exceeding 200 times that of nitrobenzene have also been reported.
このような状況において、二次の電気光学効果(以下、カー効果と呼ぶ)を有する表示素子(液晶表示装置)への応用が検討され始めた。カー効果の表示素子への応用展開における課題として、カー効果の表示素子は、駆動電圧が高く、液晶相−等方相相転移温度が高いといったことが挙げられていた。 Under such circumstances, application to a display element (liquid crystal display device) having a secondary electro-optic effect (hereinafter referred to as Kerr effect) has begun to be studied. As a problem in the application development to the Kerr effect display element, the Kerr effect display element has a high driving voltage and a high liquid crystal phase-isotropic phase transition temperature.
そこで、特許文献1では、上記カー効果を応用した表示装置について開示されている。この表示装置は、エチルアルコール等の有極性分子を液晶材料に加えることにより液晶相―等方相相転移温度を低下させる表示装置である。
特許文献1は、一対の基板間に、等方相状態の有極性分子を含む媒体が挟持された表示装置であり、カー効果を利用した表示装置である。この表示装置は、従来の液晶表示装置における、分子の動きによって光の透過と遮断を切り替えるものではなく、電子の偏りによって光の透過と遮断を切り替えることにより画像を表示するものである。
しかしながら、特許文献1に開示された表示装置には、カー効果を利用した表示装置として上記で挙げた問題のうち、液晶相―等方相相転移温度を低下させることのみには有効な方法である。すなわち、液晶相―等方相相転移温度を低下させることは可能となったが、液晶相―等方相相転移温度を低下させると同時にカー定数の低下を招き、これによって駆動電圧の上昇を引き起こすという問題を有している。
However, the display device disclosed in
そこで本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、カー効果の低下を引き起こさない、かつ、液晶相―等方相相転移温度が高くない誘電性媒体からなる表示素子を提供することにある。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a display made of a dielectric medium that does not cause a decrease in the Kerr effect and does not have a high liquid crystal phase-isotropic phase transition temperature. It is to provide an element.
本発明に係る表示素子は、上述した課題を解決するために、少なくとも一方が透明な一対の基板と、上記一対の基板間に挟持され、電界の印加により光学的異方性が変化する誘電性媒体とを備えた表示素子であって、上記誘電性媒体は、無極性分子を含むことを特徴としている。 In order to solve the above-described problem, a display element according to the present invention is a dielectric that is sandwiched between a pair of substrates at least one of which is transparent and the optical anisotropy is changed by applying an electric field. The dielectric medium includes a nonpolar molecule. The display element includes a medium.
上述した構成とすることにより、本発明に係る表示素子は、カー効果を利用した表示素子であっても、従来技術における上述したような課題を解消できる。すなわち、本発明に係る表示素子は、液晶相―等方相相転移温度が高くなく、かつ、光学変調に必要な駆動電圧の上昇を抑えた表示素子を提供することが可能となる。 By adopting the above-described configuration, even if the display element according to the present invention is a display element using the Kerr effect, the problems as described above in the prior art can be solved. That is, the display element according to the present invention can provide a display element that does not have a high liquid crystal phase-isotropic phase transition temperature and that suppresses an increase in drive voltage necessary for optical modulation.
具体的には、本発明に係る表示素子は、上記誘電性媒体に、無極性な分子を含むものである。無極性な分子は、誘電性媒体における分子集合体において双極子相互作用等の影響を比較的受けにくいため、配向変化が起こり易い。そのため、光学変調に必要な電圧の上昇を抑えることができると考えられる。 Specifically, the display element according to the present invention includes a nonpolar molecule in the dielectric medium. Nonpolar molecules are less susceptible to effects such as dipole interactions in a molecular assembly in a dielectric medium and are therefore subject to orientation changes. For this reason, it is considered that an increase in voltage necessary for optical modulation can be suppressed.
すなわち、本発明に係る表示素子は、駆動電圧の上昇を抑えながら光学変調を行うことができ、かつ、液晶相―等方相相転移温度を低下させることが可能な高速応答特性を有する表示素子を提供することが可能となる。 That is, the display element according to the present invention can perform optical modulation while suppressing an increase in driving voltage, and has a high-speed response characteristic capable of reducing the liquid crystal phase-isotropic phase transition temperature. Can be provided.
また本発明に係る表示素子は、さらに、上記誘電性媒体に電界を印加する電界印加手段と、上記一対の基板のうち、少なくとも一方の基板における上記誘電性媒体との対向面とは反対側に、偏光板が備えられていることが好ましい。 The display element according to the present invention further includes an electric field applying means for applying an electric field to the dielectric medium, and at least one of the pair of substrates on a side opposite to the surface facing the dielectric medium. It is preferable that a polarizing plate is provided.
上述した構成とすることにより、本発明に係る表示素子は、上記誘電性媒体に電界を印加して複屈折を発現させることで透過率を変調させることが可能となる。 With the above-described configuration, the display element according to the present invention can modulate the transmittance by applying an electric field to the dielectric medium to develop birefringence.
また本発明に係る表示素子は、上記誘電性媒体が、電界無印加時に光学的等方性を示し、電圧の印加により光学的異方性を示すものであってもよく、電界無印加時に光学的異方性を示し、電圧の印加により光学的等方性を示すものであってもよい。 In the display element according to the present invention, the dielectric medium may exhibit optical isotropy when no electric field is applied, and exhibit optical anisotropy when a voltage is applied. The optical anisotropy may be exhibited by applying a voltage.
上記何れの構成においても、電界の印加により、電界無印加時と電界印加時とで上記誘電性媒体の屈折率楕円体の形状を変化させることができ、光学的異方性の方向は一定のまま、光学的異方性(配向秩序度、屈折率)の程度を変化させることによって表示を行うことができる。よって、上記の何れの構成においても、広視野角特性および高速応答特性を有する表示素子を実現することができる。 In any of the above configurations, by applying an electric field, the shape of the refractive index ellipsoid of the dielectric medium can be changed between when no electric field is applied and when an electric field is applied, and the direction of optical anisotropy is constant. The display can be performed by changing the degree of optical anisotropy (degree of orientation order, refractive index). Therefore, in any of the above configurations, a display element having a wide viewing angle characteristic and a high-speed response characteristic can be realized.
また本発明に係る表示素子は、上記誘電性媒体が、電圧印加時または電圧無印加時に光の波長以下の配向秩序を有していることが好ましい。 In the display element according to the present invention, it is preferable that the dielectric medium has an alignment order equal to or less than the wavelength of light when a voltage is applied or no voltage is applied.
このように、配向秩序が光の波長以下であれば、光学的に等方性を示す。したがって、電圧印加時または電圧無印加時に配向秩序が光の波長以下となる媒質を用いることにより、電圧無印加時と電圧印加時とにおける表示状態を確実に異ならせることができる。 Thus, if the orientation order is equal to or less than the wavelength of light, it is optically isotropic. Therefore, by using a medium whose alignment order is equal to or less than the wavelength of light when a voltage is applied or when no voltage is applied, the display state can be reliably changed between when no voltage is applied and when a voltage is applied.
また本発明に係る表示素子は、上記一対の基板のうち一方の基板に、基板面に対して略平行な電界を上記誘電性媒体に印加する少なくとも1対の電極からなる電界印加手段を備えていることが好ましい。 The display element according to the present invention further includes an electric field applying unit including at least one pair of electrodes for applying an electric field substantially parallel to the substrate surface to the dielectric medium on one of the pair of substrates. Preferably it is.
上述した構成とすることによって、基板に対して垂直な方向に通過する光に対して略直交する方向、つまり基板面に平行な方向に容易に電界を印加することができ、電界印加で発生する複屈折異方性を光信号の変化として容易に取り出すことができる。 With the above-described configuration, an electric field can be easily applied in a direction substantially orthogonal to light passing in a direction perpendicular to the substrate, that is, a direction parallel to the substrate surface, and is generated by application of the electric field. Birefringence anisotropy can be easily extracted as a change in the optical signal.
また本発明に係る表示素子は、上記電極が、楔型であることがより好ましく、さらには上記楔型に形成された電極のなす角度は、90度±10度未満であることが好ましい。 In the display element according to the present invention, the electrode is more preferably wedge-shaped, and the angle formed by the electrode formed in the wedge-shape is preferably less than 90 ± 10 degrees.
上述した構成とすることにより、本発明に係る表示素子の視野角特性が向上する。 With the above-described configuration, the viewing angle characteristics of the display element according to the present invention are improved.
また本発明に係る表示素子は、上記電界印加手段による電界印加方向と、上記偏光板の吸収軸とのなす角度が、45度±10度未満であることが好ましい。 In the display element according to the present invention, the angle formed by the electric field application direction by the electric field application unit and the absorption axis of the polarizing plate is preferably less than 45 ° ± 10 °.
上述した90度±10度未満をなした楔型に形成された電界印加手段により、電界印加によって発生する上記誘電性媒体の光学的異方性の方向は少なくとも2方向(2ドメイン)存在することになる。各ドメインの電界印加により発生する光学的異方性の方向と、上記偏光板の吸収軸とがなす角度が45度±10度未満であり、かつ、各ドメインの電界印加により発生する光学的異方性の方向が互いに90度±10度未満をなすことで、斜め視角の色付き現象を互いに補償しあうことができ、透過率を損なうことなく、視野角特性を大きく向上させることができる。 There are at least two directions (two domains) of the optical anisotropy direction of the dielectric medium generated by the electric field application by the electric field application means formed in the wedge shape having a degree of less than 90 ° ± 10 °. become. The angle between the direction of optical anisotropy generated by applying an electric field in each domain and the absorption axis of the polarizing plate is less than 45 ° ± 10 °, and the optical difference generated by applying an electric field in each domain. When the directions of the directions are less than 90 ° ± 10 °, the coloring phenomenon of the oblique viewing angle can be compensated for each other, and the viewing angle characteristics can be greatly improved without impairing the transmittance.
また本発明に係る表示素子は、上記一対の基板のうち少なくとも一方の基板における他方の基板との対向面表面に、配向膜が備えられていることが好ましく、水平配向処理が施されていることが好ましい。 In the display element according to the present invention, an alignment film is preferably provided on the surface of at least one of the pair of substrates facing the other substrate, and a horizontal alignment process is performed. Is preferred.
配向処理が施されていることで、液晶の配向の秩序の度合いを向上させることができ、より大きなカー効果を得ることができる。 By performing the alignment treatment, the degree of alignment order of the liquid crystal can be improved, and a larger Kerr effect can be obtained.
すなわち、例えば周囲温度が低く、電源投入時に、誘電性媒体が、本来駆動されるべき温度に達しておらず、誘電性媒体の物理的状態が、本来の駆動時の状態と異なっている場合であっても、上記誘電性媒体を、配向させることができるので、該誘電性媒体(物理的状態が、本来の駆動時の状態と異なる誘電性媒体)による光学的寄与を消失させることができる。 That is, for example, when the ambient temperature is low, when the power is turned on, the dielectric medium does not reach the temperature to be driven originally, and the physical state of the dielectric medium is different from the original driving state. Even so, since the dielectric medium can be oriented, the optical contribution of the dielectric medium (dielectric medium whose physical state is different from the original driving state) can be eliminated.
したがって、本発明に係る表示素子は、上記誘電性媒体の配向変化を補助することが可能となり、上記誘電性媒体の配向変化を補助することにより、カー効果の増大に寄与し、よって駆動電圧を低減することが可能となる。 Therefore, the display device according to the present invention can assist the change in the orientation of the dielectric medium, and contribute to the increase of the Kerr effect by assisting the change in the orientation of the dielectric medium. It becomes possible to reduce.
また、上述した処理を施すことにより上記表示素子の温度が上昇するまでにおいても、良好な表示を実現することが可能になる。 Further, by performing the above-described processing, it is possible to realize a good display even until the temperature of the display element rises.
また、上記の構成によれば、所望の駆動温度に達したとしても、基板界面に吸着した誘電性媒体の分子による光漏れは発生せず、高いコントラストを得ることができる。よって、上記の構成によれば、コントラストが低下することがなく、高速応答性、視野角特性に優れた表示素子を提供することができるというさらなる効果を奏する。 Further, according to the above configuration, even when the desired driving temperature is reached, light leakage due to molecules of the dielectric medium adsorbed on the substrate interface does not occur, and high contrast can be obtained. Therefore, according to said structure, there exists a further effect that a display element excellent in high-speed responsiveness and a viewing angle characteristic can be provided, without a contrast falling.
また、本発明に係る表示素子は、上記配向膜が、有機薄膜であることが好ましく、ポリイミド膜であることがより好ましい。 In the display element according to the present invention, the alignment film is preferably an organic thin film, and more preferably a polyimide film.
上記配向膜を有機薄膜、特に、ポリイミドとすることにより、極めて優れた配向効果を示すことが可能となる。すなわち、カー定数を容易に増大することが可能となる。また、上記ポリイミドは、安定性が高い材料であり信頼性が高い。したがって、ポリイミドを使用することによって、良好な表示性能を示す表示素子を提供することができる。 By using an organic thin film, particularly polyimide, as the alignment film, an extremely excellent alignment effect can be exhibited. That is, the Kerr constant can be easily increased. The polyimide is a highly stable material and has high reliability. Therefore, the display element which shows favorable display performance can be provided by using a polyimide.
また本発明に係る表示素子は、上記誘電性媒体に、液晶性物質を含むことが好ましい。 In the display element according to the present invention, the dielectric medium preferably contains a liquid crystalline substance.
液晶性物質に電界を印加することにより、微細構造に歪みが与えられ、光学変調を誘起させることが可能となる。 By applying an electric field to the liquid crystalline substance, the fine structure is distorted and optical modulation can be induced.
本発明に係る表示素子は、以上のように、少なくとも一方が透明な一対の基板と、上記一対の基板間に挟持され、電界の印加により光学的異方性が変化する誘電性媒体とを備えた表示素子であって、上記誘電性媒体に、無極性分子を含むことを特徴としていることから、カー効果を利用した表示素子であっても、従来技術における上述したような課題を解消できる。すなわち、本発明に係る表示素子は、上記誘電性媒体に無極性な分子を含むことにより、無極性な分子は、誘電性媒体における分子集合体において双極子相互作用等の影響を比較的受けにくいため、配向変化が起こり易い。そのため、光学変調に必要な電圧の上昇を抑えることができる。したがって、無極性分子を上記誘電性媒体に含むことにより、従来技術における光学素子(光学装置)とは異なり、光学変調に必要な電圧の上昇を抑えることが出来ると考えられる。 As described above, the display element according to the present invention includes a pair of substrates, at least one of which is transparent, and a dielectric medium which is sandwiched between the pair of substrates and whose optical anisotropy changes when an electric field is applied. Since the display medium is characterized in that the dielectric medium contains nonpolar molecules, even the display element using the Kerr effect can solve the above-described problems in the prior art. That is, since the display element according to the present invention includes nonpolar molecules in the dielectric medium, the nonpolar molecules are relatively less susceptible to dipole interaction or the like in the molecular assembly in the dielectric medium. Therefore, the orientation change is likely to occur. Therefore, an increase in voltage necessary for optical modulation can be suppressed. Therefore, it is considered that the increase in voltage necessary for optical modulation can be suppressed by including nonpolar molecules in the dielectric medium, unlike the optical element (optical device) in the prior art.
また、上記構成とすることにより、液晶材料を、相転移手段であるヒーター等の加熱によって等方相状態として表示素子に適用した場合であっても、カー定数が低下することなく、液晶材料の等方相転移温度を低下させることができる。カー定数が低下しないため、印加電圧が増大することなく、低電圧において駆動することが可能な液晶材料を備えた表示素子を実現することができる。 Further, with the above structure, even when the liquid crystal material is applied to a display element in an isotropic phase state by heating with a heater that is a phase transition unit, the Kerr constant does not decrease, and the liquid crystal material does not decrease. The isotropic phase transition temperature can be lowered. Since the Kerr constant does not decrease, a display element including a liquid crystal material that can be driven at a low voltage without increasing the applied voltage can be realized.
さらに、ヒーター等による加熱温度を低下させることができることから、従来と比較して広い使用温度範囲を備えた表示素子を提供することができる。 Furthermore, since the heating temperature by a heater etc. can be reduced, the display element provided with the wide use temperature range compared with the past can be provided.
したがって、本発明に係る表示素子は、駆動電圧の上昇を抑えながら光学変調を行う温度を低下させることが可能な高速応答特性を有する表示素子を提供することが可能となる。すなわち、本発明に係る表示素子は、液晶相―等方相相転移が高くなく、かつ、光学変調に必要な駆動電圧の上昇を抑えた表示素子を提供することが可能となる。 Therefore, the display element according to the present invention can provide a display element having a high-speed response characteristic capable of reducing the temperature at which optical modulation is performed while suppressing an increase in drive voltage. That is, the display element according to the present invention can provide a display element that does not have a high liquid crystal phase-isotropic phase transition and suppresses an increase in drive voltage necessary for optical modulation.
本発明の実施の一形態について図1ないし図8に基づいて説明すれば、以下の通りである。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 8 as follows. However, the present invention is not limited to this.
図1(a)は、電圧無印加状態(OFF状態)における本実施の形態に係る表示素子の要部の概略構成を模式的に示す断面図であり、図1(b)は電圧印加状態(ON状態)における本実施の形態に係る表示素子の要部の概略構成を模式的に示す断面図である。 FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of a main part of the display element according to the present embodiment in a voltage non-application state (OFF state), and FIG. It is sectional drawing which shows typically schematic structure of the principal part of the display element which concerns on this Embodiment in an ON state.
図1(a)および(b)に示すように、本実施の形態に係る表示素子は、互いに対向して配置された、少なくとも一方が透明な一対の基板(以下、画素基板11および対向基板12と記す)を備え、これら一対の基板間に、電界の印加により光学変調する誘電性媒体からなる誘電性媒体層3が挟持されており、さらに上記一対の基板のうちの一方の基板(図中では上記画素基板11)に電界印加手段である電極4および5を備え、さらに偏光板6および7を備えている。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the display element according to the present embodiment includes a pair of substrates (hereinafter referred to as a pixel substrate 11 and a counter substrate 12) that are arranged to face each other and at least one of them is transparent. And a dielectric
また、上記画素基板11および対向基板12は、図1(a)および(b)に示すように、基板1および2をそれぞれ有している。また、これら一対の基板1および2の外側(画素基板11および対向基板12の外側)、つまり、これら両基板1および2の対向面とは反対側の面には、偏光板6および7がそれぞれ設けられている構成を有している。
The pixel substrate 11 and the
上記一対の基板1および2のうち、少なくとも一方の基板は透光性を有する、例えばガラス基板等の基板を用いることができる。
Of the pair of
なお、上記基板1および2としては、従来基板として用いられているものに限定されるものではなく、例えばフィルム状であってもよく、また、可撓性を有するものであってもよく、少なくとも一方が透明であり、上記誘電性媒体を基板間、つまり、内部に保持(挟持)することができるものであれば、誘電性媒体の種類や相の状態等に応じて、様々な材料を使用することができる。
The
上記一対の基板1および2のうち、一方の基板1における他方の基板2との対向面上には、図1(a)および(b)に示すように上記基板1に上記誘電性媒体層3に印加するための電極4および5が互いに対向配置されている。図1(b)に示すように、電圧印加状態において、上記電極4および5は、上記誘電性媒体中に略平行な電界8を印加する。なおここで「上記基板1に対して略平行な電界」とは、基板に対して垂直な方向に通過する光に対して略直交する方向の電界のことをいう。
Of the pair of
上記電極4および5は、例えばITO(インジウム錫酸化物)等の透明電極材料等の電極材料からなり、本実施の形態では、例えば線幅5μm、電極間距離(電極間隔)5μm、厚み0.6μmに設定されている。しかしながら、上記の電極材料並びに線幅、電極間距離、および厚みは単なる一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。
The
上記電極4および5の一例としては、図2に示すように櫛歯部分4aおよび5aが互いに噛み合う方向に対向配置された櫛形の電極が挙げられる。さらに、櫛歯部分4aおよび5aは、それぞれが楔型であることが好ましい。また、具体的には、図示するように櫛歯部分4aおよび5aは、それぞれがジグザグ状に折れ曲がっていてもよい。ジグザグ状に折れ曲がっていることにより、例えばマトリクス状に配置された複数の画素の各列および各行にデータ信号線と走査信号線とがそれぞれ設けられている場合に、電極の櫛歯部分と上記データ信号線および走査信号線との間に生じる非表示領域を大幅に減少させることができ、表示領域を大きくすることができる。
An example of the
しかしながら、上記電極4および5は、上記基板1に略平行な電界8を上記誘電性媒体層3に印加することができさえすれば、特に限定されるものではない。なお、楔型とは、「く」の字型に屈折した構造のことをいう。
However, the
さらに、上記楔型に形成された電極4および5は、その各々の楔型が、90度±10度未満、より好適には90度±5度未満、最も好適には90度の角度で屈折していることが好ましい。
Further, the
上記角度を有した電極4および5による電界印加によって発生する上記誘電性媒体の光学的異方性の方向は、図2に示す矢印50aおよびbに示すように少なくとも2方向(以下では、これを2ドメインと呼ぶ)存在することになる。したがって、後述するように上記偏光板の吸収軸とがなす角度が45度であり、かつ、各ドメインの電界印加により発生する光学的異方性の方向が互いに90度をなすことで、斜め視角の色付き現象を互いに補償しあうことができ、透過率を損なうことなく、視野角特性を大きく向上させることができる。
The direction of the optical anisotropy of the dielectric medium generated by the application of an electric field by the
さらに、上記基板1における基板2との対向面上、つまり、上記画素基板11における対向基板12との対向面表面には、ラビング処理が施された配向膜9が、上記電極4および5を覆うように、上記基板1における基板2との対向面全面に渡って形成されている。
Further, a rubbing
また、上記基板2における基板1との対向面上、つまり、上記対向基板12における画素基板11との対向面表面にも、ラビング処理が施された配向膜10が、上記基板2における基板1との対向面全面に渡って形成されている。
Further, the
上記配向膜9および10は、図2に示すように、そのラビング方向が、上記偏光板6および7の吸収軸6aおよび7aのうち何れか一方の偏光板吸収軸と一致するように、上記ラビング処理として、配向処理方向が基板面内方向の水平ラビング処理(水平配向処理)が施されている。配向処理が施されていることで、液晶の配向の秩序の度合いを向上させることができ、より大きなカー効果を得ることができる。
As shown in FIG. 2, the
また、図2および図1に示すように、偏光板6および7は、互いの偏光板吸収軸方向が直交するように配置されていると共に、各偏光板6および7における偏光板吸収軸は、電極4および5の電界印加方向に対して45度の角度をなしている。
Further, as shown in FIGS. 2 and 1, the
本実施の形態に係る表示素子において、誘電性媒体層3は、電界印加方向に配向秩序度が上昇することにより光学的異方性が発現し、透過率が変化するシャッター型の表示素子として機能し得る。したがって、互いに直交する偏光板吸収軸方向に対して、その異方性方向は、45度の角度をなす時に最大透過率を与える。なお、誘電性媒体の光学的異方性が発現する方位が、偏光板吸収軸にそれぞれ±θ(度)の角度に存在するとしたときの透過率(P)は、P(%)=sin2(2θ)より見積もられ、上記θが45度の時の透過率を100%とすれば、ほぼ90%以上であれば人間の目には最大輝度を有していると感じられることから、上記θは、35度<θ<55度であれば、人間の目には最大輝度を有していると感じられる。つまり、本実施の形態に示すように、電界が例えば基板1に略平行に印加される表示素子では、偏光板の吸収軸の方向、言い換えれば、水平配向処理における配向処理方向(ラビング方向)が、上記電極4および5による電界印加方向に対し、45度±10度未満、より好適には45度±5度未満、最も好適には45度の角度をなすことで、透過率を最大化することができる。
In the display element according to the present embodiment, the dielectric
次に、上記偏光板6および7は、両基板1および2にそれぞれ設けられ、互いの偏光板吸収軸方向が直交すると共に、各偏光板6および7における偏光板吸収軸と電極4および5(櫛歯部分4aおよび5a)の電極伸長方向とが45度の角度をなすように形成されている。
Next, the
よって、上記表示素子において、上記電極4および5による電界印加方向は、上記偏光板6および7の偏光板の吸収軸の方向、並びに配向膜9および10のラビング方向と45度の角度をなしている。
Therefore, in the display element, the electric field application direction by the
上記配向膜9および10におけるラビング方向は、上述したように上記偏光板6および7の何れか一方の偏光板吸収軸と一致してさえいれば、互いに平行(互いの配向(処理)方向が、平行でかつ向きが同じ)であってもよく、反平行(逆平行)、つまり、互いの配向(処理)方向が、平行でかつ向きが反対(逆)であってもよく、直交していてもよい。
As long as the rubbing directions in the
すなわち、本実施の形態によれば、たとえ電圧無印加時に光学異方性が発現したとしても、上記画素基板11および対向基板12における互いの対向表面に、一方の偏光板吸収軸と平行または直交する方向の水平配向処理を施し、その光学異方性の方向、つまり、配向方向を、上記偏光板吸収軸と平行または直交する方向にしておくことで、その光学的寄与を消失させることができる。つまり、本実施の形態において、上記画素基板11および対向基板12における互いの対向面表面に水平配向処理が施されていることで、基板界面の誘電性媒体、厳密には該誘電性媒体を構成する分子は、素子駆動温度未満の温度で、上記配向処理における配向(処理)方向に沿って配向する。
That is, according to the present embodiment, even if optical anisotropy is manifested when no voltage is applied, the opposing surfaces of the pixel substrate 11 and the
また、本実施の形態にかかる表示素子によれば、所望の駆動温度領域に達したとしても、基板界面に吸着した分子による黒表示時の光の漏れは観測されず、高いコントラストを実現することができる。したがって、コントラストが低下することがなく、高速応答性、視野角特性に優れた表示素子を得ることができる。 In addition, according to the display element according to the present embodiment, even when the desired driving temperature range is reached, light leakage during black display due to molecules adsorbed on the substrate interface is not observed, and high contrast is realized. Can do. Therefore, it is possible to obtain a display element that is excellent in high-speed response and viewing angle characteristics without lowering the contrast.
なお、上記基板1および2における互いのラビング方向は、前記したように、直交、平行または反平行であることが望ましいが、より望ましくは、平行または反平行のときである。上記両基板1および2に水平配向処理を行うと共に、互いの水平配向方向を平行または反平行とすることで、コントラストを最大化することができ、この結果、黒輝度をより小さくすることができた。
As described above, the rubbing directions of the
なお、本実施の形態では、両基板1および2(画素基板11および対向基板12)に対し、配向膜9および10の形成、並びにラビング処理を行ったが、上記した効果は、一方の基板のみにラビング処理を行った場合であっても得ることはできる。この場合、両基板1および2に上記配向膜9および10を形成した場合、つまり、両基板1および2に配向処理を施した場合ほどの効果は得られないが、電極4および5を形成した基板1とは反対側の基板2だけに配向膜(配向膜10)を形成しておけば、基板1側の配向膜9に由来する電圧降下が発生せず、素子の駆動電圧が上昇することもなく、実用上のメリットが大きい。また、所望の駆動温度になったとしても、基板界面に吸着した分子による光漏れは発生せず、高いコントラストを得ることができる。また、所望の駆動温度になったとしても、基板界面に吸着した分子による光漏れは発生せず、高いコントラストを得ることができる。
In this embodiment, the
上記配向膜9および10の材質としては、それぞれ有機膜であってもよいし、無機膜であってもよく、誘電性媒体を構成する分子の配向の秩序の度合いを向上させ、該分子を、所望の方向に配向させることができさえすれば、特に限定されるものではないが、上記配向膜9および10を有機薄膜により形成した場合、良好な配向効果を示すことから、上記配向膜9および10としては有機薄膜を用いることがより望ましい。このような有機薄膜の中でもポリイミドは安定性、信頼性が高く、極めて優れた配向効果を示すことから、配向膜材料にポリイミドを使用することで、より良好な表示性能を示す表示素子を提供することができる。
The material of the
なお、上記配向膜9および10としては、市販の水平配向膜を用いることができる。
As the
また、上記配向膜9および10としては、その配向制御が容易であることから光感応性を有する官能基(以下、光官能基と記す)を有していてもよい。上記光官能基としては、例えば二量化反応をするシンナメート系、カルコン系等や、異性化反応をするアゾ系等が挙げられるが、本発明はこれに限定されるものではない。
The
上記配向膜9および10が光官能基を有する場合、上記画素基板11および対向基板12表面、すなわち、上記配向膜9および10表面に、偏光された紫外線の照射(以下、偏光紫外光照射と記す)を行って配向規制力を発現させることにより、容易に所望の配向処理を行うことができる。
When the
本実施の形態における表示素子は、例えば、上記画素基板11と対向基板12とを、図示しないシール剤により、必要に応じて、例えば図示しないプラスチックビーズやガラスファイバースペーサ等のスペーサを介して貼り合わせ、その空隙に、上記誘電性媒体を封入することにより形成される。
In the display element according to the present embodiment, for example, the pixel substrate 11 and the
本実施の形態に用いられる上記誘電性媒体層3の上記誘電性媒体は、電界を印加することにより、光学的異方性が変化する媒体である。物質中に外部から電界Ejを加えると、電気変位Dij=εij・Ejを生じるが、そのとき、誘電率(εij)にもわずかな変化が見られる。光の周波数では屈折率(n)の自乗は誘電率と等価であるから、上記誘電性媒体は、電界の印加により、屈折率が変化する物質と言うこともできる。
The dielectric medium of the dielectric
このように、本実施の形態に係る表示素子は、物質の屈折率が外部電界によって変化する現象(電気光学効果)を利用して表示を行うものであり、電界印加により分子(分子の配向方向)が揃って回転することを利用した液晶表示素子とは異なり、光学的異方性の方向は殆ど変化せず、その光学的異方性の程度の変化(主に、電子分極や配向分極)により表示を行うようになっている。 As described above, the display element according to this embodiment performs display using a phenomenon (electro-optic effect) in which the refractive index of a substance is changed by an external electric field. Unlike liquid crystal display elements that utilize the fact that they rotate together, the direction of optical anisotropy hardly changes, and the degree of optical anisotropy changes (mainly electronic polarization and orientation polarization). Is displayed.
上記誘電性媒体としては、ポッケルス効果またはカー効果を示す物質等、電界無印加時に光学的には等方(巨視的に見て等方であればよい)であり、電界印加により光学的異方性が発現する物質であってもよく、電界無印加時に光学的異方性を有し、電界印加により異方性が消失し、光学的に等方性(巨視的に見て等方であればよい)を示す物質であってもよい。典型的には、誘電性媒体は、電界無印加時には光学的に等方(巨視的に見て等方であればよい)であり、電界印加により光学変調(特に電界印加により複屈折が上昇することが望ましい)を発現する物質である。 The dielectric medium is optically isotropic when a field is not applied, such as a substance exhibiting a Pockels effect or a Kerr effect, and may be optically anisotropic by applying a field. It may be a substance that exhibits optical properties, has optical anisotropy when no electric field is applied, disappears when applied with an electric field, and is optically isotropic (being isotropic when viewed macroscopically) It is also possible to use a substance that shows Typically, a dielectric medium is optically isotropic when it is not applied with an electric field (it only needs to be isotropic when viewed macroscopically), and optically modulated by application of an electric field (especially birefringence increases by application of an electric field). It is desirable that the substance develops.
ポッケルス効果、カー効果(それ自身は、等方相状態で観察される)は、それぞれ、電界の一次または二次に比例する電気光学効果であり、電圧無印加状態では、等方相であるため光学的に等方的であるが、電圧印加状態では、電界が印加されている領域において、電界方向に化合物の分子の長軸方向が配向し、複屈折が発現することにより透過率を変調することができる。例えば、カー効果を示す物質を用いた表示方式の場合、電界を印加して1つの分子内での電子の偏りを制御することにより、ランダムに配列した個々の分子が各々別個に回転して向きを変えることから、応答速度が非常に速く、また、分子が無秩序に配列していることから、視角制限がないという利点がある。なお、上記誘電性媒体のうち、大まかに見て電界の一次または二次に比例しているものは、ポッケルス効果またはカー効果を示す物質として扱うことができる。 The Pockels effect and the Kerr effect (which are themselves observed in the isotropic phase state) are electro-optic effects that are proportional to the primary or secondary electric field, respectively, and are in the isotropic phase when no voltage is applied. Although optically isotropic, in the voltage application state, in the region where an electric field is applied, the long axis direction of the compound molecules is oriented in the electric field direction, and birefringence is expressed, thereby modulating the transmittance. be able to. For example, in the case of a display method using a substance exhibiting the Kerr effect, by controlling the bias of electrons within one molecule by applying an electric field, each randomly arranged individual molecule rotates and becomes oriented. Is advantageous in that the response speed is very fast and the molecules are arranged randomly, and there is no viewing angle limitation. Note that among the above-mentioned dielectric media, those roughly proportional to the primary or secondary of the electric field can be treated as a substance exhibiting the Pockels effect or the Kerr effect.
ポッケルス効果を示す物質としては、例えば、ヘキサミン等の有機固体材料等が挙げられるが、特に限定されるものではない。上記媒質Aとしては、ポッケルス効果を示す各種有機材料、無機材料を用いることができる。 Examples of the substance exhibiting the Pockels effect include, but are not limited to, organic solid materials such as hexamine. As the medium A, various organic materials and inorganic materials exhibiting the Pockels effect can be used.
次に、カー効果を示す物質について説明すると以下の通りである。すなわち、カー効果を示す物質は、上述したように電界の二次に比例する電気光学効果であり、電圧無印加状態では、等方相であるため光学的に等方的であるが、電圧印加状態では、電界が印加されている領域において、電界方向に化合物の分子の長軸方向が配向し、複屈折が発現することにより透過率を変調することができる。カー効果を示す物質を用いることにより、電界を印加して1つの分子内での電子の偏りを制御することにより、ランダムに配列した個々の分子が各々別個に回転して向きを変えることから、応答速度が非常に速く、また、分子が無秩序に配列していることから、視角制限がないという利点がある。 Next, substances that exhibit the Kerr effect will be described as follows. That is, a substance exhibiting the Kerr effect is an electro-optic effect that is proportional to the second order of the electric field as described above, and is optically isotropic because it is isotropic when no voltage is applied. In the state, in the region where the electric field is applied, the long axis direction of the compound molecules is oriented in the electric field direction, and birefringence is expressed, whereby the transmittance can be modulated. By using a substance exhibiting the Kerr effect, by applying an electric field to control the bias of electrons within one molecule, each randomly arranged individual molecule rotates and changes its orientation, Since the response speed is very fast and the molecules are arranged randomly, there is an advantage that there is no viewing angle limitation.
カー効果を示す物質としては、下記構造式(1)〜(4) As a substance showing the Kerr effect, the following structural formulas (1) to (4)
で示される液晶性物質や、後述する実施例において用いる下記構造式(5)〜(7) And the following structural formulas (5) to (7) used in the examples described later,
で示される液晶性物質等が挙げられるが、特に限定されるものではない。 Although the liquid crystalline substance shown by these is mentioned, it does not specifically limit.
カー効果は、入射光に対して透明な媒質中で観測される。このため、カー効果を示す物質は、透明媒質として用いられる。通常、液晶性物質は、温度上昇に伴って、短距離秩序を持った液晶相から、分子レベルでランダムな配向を有する等方相に移行する。つまり、液晶性物質のカー効果は、ネマティック相ではなく、液晶相−等方相温度以上の等方相状態の液体に見られる現象であり、上記液晶性物質は、透明な誘電性液体として使用される。 The Kerr effect is observed in a medium transparent to incident light. For this reason, the substance showing the Kerr effect is used as a transparent medium. Usually, a liquid crystalline substance shifts from a liquid crystal phase having a short-range order to an isotropic phase having random orientation at a molecular level as the temperature rises. In other words, the Kerr effect of liquid crystalline substances is not a nematic phase, but a phenomenon seen in liquids in the isotropic phase state above the liquid crystal phase-isotropic phase temperature. The liquid crystalline substances are used as transparent dielectric liquids. Is done.
液晶性物質等の誘電性液体は、加熱による使用環境温度(加熱温度)が高いほど、等方相状態となる。よって、上記媒質として液晶性物質等の誘電性液体を使用する場合には、該誘電性液体を透明、すなわち可視光に対して透明な液体状態で使用するために、例えば、(1)誘電性媒体層3の周辺に、図示しないヒーター等の加熱手段を設け、該加熱手段により上記誘電性液体をその透明点以上に加熱して用いてもよいし、(2)バックライトからの熱輻射や、バックライトおよび/または周辺駆動回路からの熱伝導(この場合、上記バックライトや周辺駆動回路が加熱手段として機能する)等により、上記誘電性液体をその透明点以上に加熱して用いてもよい。また、(3)上記基板1および2の少なくとも一方に、ヒーターとしてシート状ヒーター(加熱手段)を貼合し、所定の温度に加熱して用いてもよい。さらに、上記誘電性液体を透明状態で用いるために、透明点が、上記表示素子の使用温度範囲下限よりも低い材料を用いることも可能である。
A dielectric liquid such as a liquid crystal substance is in an isotropic phase state as the use environment temperature (heating temperature) by heating is higher. Therefore, when a dielectric liquid such as a liquid crystal substance is used as the medium, in order to use the dielectric liquid in a liquid state that is transparent, that is, transparent to visible light, for example, (1) Dielectric A heating means such as a heater (not shown) may be provided around the
また、上記誘電性媒体は、液晶性物質を含んでいることが望ましく、液晶性物質を使用する場合には、該液晶性物質は、巨視的には等方相を示す透明な液体であるが、微視的には一定の方向に配列した短距離秩序を有する分子集団であるクラスタを含んでいることが望ましい。なお、上記液晶性物質は可視光に対して透明な状態で使用されることから、上記クラスタも、可視光に対して透明(光学的に等方)な状態で用いられる。 The dielectric medium preferably contains a liquid crystalline substance. When the liquid crystalline substance is used, the liquid crystalline substance is a transparent liquid that shows an isotropic phase macroscopically. Microscopically, it is desirable to include a cluster which is a molecular group having short-range order arranged in a certain direction. Since the liquid crystalline substance is used in a state transparent to visible light, the cluster is also used in a state transparent (optically isotropic) to visible light.
このために、上記表示素子は、上述したように、ヒーター等の加熱手段を用いて温度制御を行ってもよく、上記液晶性物質の直径を例えば0.1μm以下とする等、上記液晶性物質を、光の波長よりも小さな径を有する微小ドロップレットとし、光の散乱を抑制することにより透明状態とするか、または、使用環境温度(室温)にて透明な等方相を示す液晶性化合物を使用する等してもよい。上記液晶性物質の直径、さらにはクラスタの径(長径)が0.1μm以下、つまり、光の波長(入射光波長)よりも小さい場合の光の散乱は無視することができる。このため、例えば上記クラスタの径が0.1μm以下であれば、上記クラスタもまた可視光に対して透明である。 For this purpose, as described above, the display element may be temperature-controlled using a heating means such as a heater, and the liquid crystal substance has a diameter of 0.1 μm or less, for example. Is a liquid crystal compound that is made into a transparent state by suppressing light scattering and having a transparent isotropic phase at the use environment temperature (room temperature). May be used. Light scattering can be ignored when the diameter of the liquid crystalline substance, and further, the diameter (major axis) of the cluster is 0.1 μm or less, that is, smaller than the wavelength of light (incident light wavelength). Therefore, for example, if the diameter of the cluster is 0.1 μm or less, the cluster is also transparent to visible light.
なお、上記誘電性媒体は、上述したようにポッケルス効果またはカー効果を示す物質に限定されない。このため、上記誘電性媒体は、分子の配列が、光の波長以下(例えばナノスケール)のスケールのキュービック対称性を有する秩序構造を有し、光学的には等方的に見えるキュービック相(非特許文献3・6〜8参照)を有していてもよい。キュービック相は上記誘電性媒体として使用することができる液晶性物質の液晶相の一つであり、キュービック相を示す液晶性物質としては、例えば、下記構造式(8)
Note that the dielectric medium is not limited to a substance exhibiting the Pockels effect or the Kerr effect as described above. For this reason, the dielectric medium has an ordered structure in which the molecular arrangement has cubic symmetry with a scale below the wavelength of light (for example, nanoscale), and is optically isotropic. (See
で示されるBABH8等が挙げられる。このような液晶性物質に電界を印加すれば、微細構造に歪みが与えられ、光学変調を誘起させることが可能となる。 BABH8 etc. which are shown by these. When an electric field is applied to such a liquid crystalline substance, the fine structure is distorted and optical modulation can be induced.
BABH8は、136.7℃以上、161℃以下の温度範囲では、光の波長以下のスケールのキュービック対称性を有する秩序構造からなるキュービック相を示す。該BABH8は、光の波長以下の秩序構造を有し、上記温度範囲において、電圧無印加時に光学的等方性を示すことで、直交ニコル下において良好な黒表示を行うことができる。
BABH8 shows a cubic phase composed of an ordered structure having cubic symmetry of a scale below the wavelength of light in a temperature range of 136.7 ° C. or more and 161 ° C. or less. The
一方、上記BABH8の温度を、例えば前記した加熱手段等を用いて136.7℃以上、161℃以下に制御しながら、電極4および5(櫛形電極)間に電圧を印加すると、キュービック対称性を有する構造(秩序構造)に歪みが生じる。すなわち、上記BABH8は、上記の温度範囲において、電圧無印加状態では等方的であり、電圧印加により異方性が発現する。
On the other hand, when a voltage is applied between the
これにより、上記媒質層3において複屈折が発生するので、上記表示素子は、良好な白表示を行うことができる。なお、複屈折が発生する方向は一定であり、その大きさが電圧印加によって変化する。また、電極4および5(櫛形電極)間に印加する電圧と透過率との関係を示す電圧透過率曲線は、136.7℃以上、161℃以下の温度範囲、すなわち、約20Kという広い温度範囲において安定した曲線となる。このため、上記BABH8を上記誘電性媒体として使用した場合、温度制御を極めて容易に行うことができる。すなわち、上記BABH8からなる誘電性媒体層3は、熱的に安定な相であるため、急激な温度依存性が発現せず、温度制御が極めて容易である。
As a result, birefringence occurs in the
また、上記誘電性媒体としては、液晶分子が光の波長以下のサイズで放射状に配向した集合体で充填された、光学的に等方的に見えるような系を実現することも可能であり、その手法としては非特許文献4に記載の液晶マイクロエマルションや非特許文献5に記載の液晶・微粒子分散系(溶媒(液晶)中に微粒子を混在させた混合系、以下、単に液晶微粒子分散系と記す)の手法を応用することも可能である。これらに電界を印加すれば、放射状配向の集合体に歪みが与えられ、光学変調を誘起させることが可能である。
In addition, as the dielectric medium, it is possible to realize a system in which liquid crystal molecules are filled with aggregates that are radially aligned with a size equal to or smaller than the wavelength of light and appear optically isotropic. As the method, the liquid crystal microemulsion described in
なお、これら液晶性物質は、何れも、単体で液晶性を示すものであってもよいし、複数の物質が混合されることにより液晶性を示すものであってもよいし、これらの物質に他の非液晶性物質が混入されていてもよい。さらには、非特許文献1に記載されているような高分子・液晶分散系の物質を適用することもできる。また、非特許文献2に記載されているようなゲル化剤を添加してもよい。
Any of these liquid crystalline substances may be liquid crystalline as a single substance, or may be liquid crystalline by mixing a plurality of substances. Other non-liquid crystalline substances may be mixed. Furthermore, a polymer / liquid crystal dispersion material as described in
また、上記誘電性媒体としては、有極性分子を含有することが望ましく、例えばニトロベンゼン等が誘電性媒体として好適である。なお、ニトロベンゼンもカー効果を示す媒質の一種である。 The dielectric medium preferably contains a polar molecule. For example, nitrobenzene or the like is suitable as the dielectric medium. Nitrobenzene is also a type of medium that exhibits the Kerr effect.
以下に、上記誘電性媒体として用いることができる物質もしくは該物質の形態の一例を示すが、本発明は以下の例示にのみ限定されるものではない。 Hereinafter, an example of a substance that can be used as the dielectric medium or a form of the substance is shown, but the present invention is not limited to the following examples.
〔スメクチックD相(SmD)〕
スメクチックD相(SmD)は、上記誘電性媒体として使用することができる液晶性物質の液晶相の一つであり、三次元格子構造を有し、その格子定数が光の波長以下である。このため、スメクチックD相は、光学的には等方性を示す。
[Smectic D phase (SmD)]
The smectic D phase (SmD) is one of liquid crystal phases of a liquid crystalline material that can be used as the dielectric medium, has a three-dimensional lattice structure, and has a lattice constant equal to or less than the wavelength of light. For this reason, the smectic D phase is optically isotropic.
スメクチックD相を示す液晶性物質としては、例えば、非特許文献3もしくは非特許文献8に記載の下記一般式(9)・(10)
Examples of liquid crystalline substances exhibiting a smectic D phase include the following general formulas (9) and (10) described in
で表されるANBC16等が挙げられる。なお、上記一般式(9)・(10)において、mは任意の整数、具体的には、一般式(9)においてはm=16、一般式(10)においてはm=15を示し、Xは−NO2基を示す。 ANBC16 represented by the following. In the general formulas (9) and (10), m represents an arbitrary integer, specifically, m = 16 in the general formula (9), m = 15 in the general formula (10), and X Represents a —NO 2 group.
上記ANBC16は、171.0℃〜197.2℃の温度範囲において、スメクチックD相が発現する。ANBC16がスメクチックD相を示す上記の温度領域において、ANBC16に電界を印加すれば、ANBC16の分子自身に誘電異方性が存在するため、分子が電界方向に向こうとして格子構造に歪が生じる。すなわち、ANBC16に光学的異方性が発現する。なお、ANBC16に限らず、スメクチックD相を示す物質であれば、本実施の形態にかかる表示素子の誘電性媒体として適用することができる。 The ANBC16 exhibits a smectic D phase in a temperature range of 171.0 ° C. to 197.2 ° C. When an electric field is applied to the ANBC 16 in the above temperature range in which the ANBC 16 exhibits a smectic D phase, the ANBC 16 molecules themselves have dielectric anisotropy, so that the molecules are distorted in the lattice structure as the molecules move in the direction of the electric field. That is, the optical anisotropy appears in ANBC16. Note that the material is not limited to ANBC16, and any material exhibiting a smectic D phase can be applied as a dielectric medium of the display element according to the present embodiment.
〔液晶マイクロエマルション〕
液晶マイクロエマルションとは、非特許文献4において提案された、O/W型マイクロエマルション(油の中に水を界面活性剤で水滴の形で溶解させた系で、油が連続相となる)の油分子をサーモトロピック液晶分子で置換したシステム(混合系)の総称である。
[Liquid crystal microemulsion]
A liquid crystal microemulsion is an O / W microemulsion proposed in Non-Patent Document 4 (a system in which water is dissolved in oil in the form of water droplets in an oil, and the oil becomes a continuous phase). A generic term for a system (mixed system) in which oil molecules are replaced with thermotropic liquid crystal molecules.
液晶マイクロエマルションの具体例としては、例えば、非特許文献4に記載されている、ネマティック液晶相を示すサーモトロピック液晶であるペンチルシアノビフェニル(5CB)と、逆ミセル相を示すリオトロピック(ライオトロピック)液晶であるジドデシルアンモニウムブロマイド(DDAB)の水溶液との混合系がある。この混合系は、図3および図4に示すような模式図で表される構造を有している。
Specific examples of the liquid crystal microemulsion include, for example, pentylcyanobiphenyl (5CB), which is a thermotropic liquid crystal exhibiting a nematic liquid crystal phase, and a lyotropic (lyotropic) liquid crystal exhibiting a reverse micelle phase described in
また、この混合系は、典型的には逆ミセルの直径が50Å程度、逆ミセル間の距離が200Å程度である。これらのスケールは光の波長より一桁程度小さい。また、逆ミセルが三次元空間的にランダムに存在しており、各逆ミセルを中心に5CBが放射状に配向している。したがって、この混合系は、光学的には等方性を示す。 In this mixed system, the diameter of reverse micelles is typically about 50 mm, and the distance between the reverse micelles is about 200 mm. These scales are about an order of magnitude smaller than the wavelength of light. In addition, reverse micelles exist randomly in three-dimensional space, and 5CB are radially oriented around each reverse micelle. Therefore, this mixed system is optically isotropic.
そして、この混合系からなる誘電性媒体に電界を印加すれば、5CBに誘電異方性が存在するため、分子自身が電界方向に向こうとする。すなわち、逆ミセルを中心に放射状に配向していたため光学的に等方であった系に、配向異方性が発現し、光学的異方性が発現する。なお、上記の混合系に限らず、電圧無印加時には光学的に等方性を示し、電圧印加によって光学的異方性が発現する液晶マイクロエマルションであれば、本実施の形態にかかる表示素子の誘電性媒体として適用することができる。 When an electric field is applied to the dielectric medium composed of this mixed system, since the dielectric anisotropy exists in 5CB, the molecule itself tends to face in the electric field direction. That is, orientation anisotropy appears in a system that is optically isotropic because it is oriented radially around a reverse micelle, and optical anisotropy appears. The liquid crystal microemulsion is not limited to the above-described mixed system, and is optically isotropic when no voltage is applied, and exhibits optical anisotropy when voltage is applied. It can be applied as a dielectric medium.
〔リオトロピック液晶〕
リオトロピック(ライオトロピック)液晶とは、液晶を形成する主たる分子が、他の性質を持つ溶媒(水や有機溶剤など)に溶けているような他成分系の液晶を意味する。また、上記の特定の相とは、電界無印加時に光学的に等方性を示す相である。このような特定の相としては、例えば、非特許文献11に記載されているミセル相、スポンジ相、キュービック相、逆ミセル相がある。図5に、リオトロピック液晶相の分類図を示す。
[Lyotropic LCD]
The lyotropic liquid crystal means a liquid crystal of another component system in which the main molecules forming the liquid crystal are dissolved in a solvent having other properties (such as water or an organic solvent). The specific phase is a phase that is optically isotropic when no electric field is applied. Examples of such a specific phase include a micelle phase, a sponge phase, a cubic phase, and a reverse micelle phase described in Non-Patent Document 11. FIG. 5 shows a classification diagram of the lyotropic liquid crystal phase.
両親媒性物質である界面活性剤には、ミセル相を発現する物質がある。例えば、イオン性界面活性剤である硫酸ドデシルナトリウムの水溶液やパルチミン酸カリウムの水溶液等は球状ミセルを形成する。また、非イオン性界面活性剤であるポリオキシエチレンノニルフェニルエーテルと水との混合液では、ノニルフェニル基が疎水基として働き、オキシエチレン鎖が親水基として働くことにより、ミセルを形成する。他にも、スチレン−エチレンオキシドブロック共重合体の水溶液でもミセルを形成する。 Surfactants that are amphiphilic substances include substances that develop a micelle phase. For example, an aqueous solution of sodium decyl sulfate, which is an ionic surfactant, an aqueous solution of potassium palmitate, and the like form spherical micelles. Further, in a mixed solution of polyoxyethylene nonylphenyl ether, which is a nonionic surfactant, and water, micelles are formed by the nonylphenyl group acting as a hydrophobic group and the oxyethylene chain acting as a hydrophilic group. In addition, micelles are formed even in an aqueous solution of a styrene-ethylene oxide block copolymer.
例えば、球状ミセルは、分子が空間的全方位にパッキング(分子集合体を形成)して球状を示す。また、球状ミセルのサイズは、光の波長以下であるため、異方性を示さず、等方的に見える。しかしながら、このような球状ミセルに電界を印加すれば、球状ミセルが歪むため異方性を発現する。よって、球状ミセル相を有するリオトロピック液晶もまた、本実施の形態にかかる表示素子の誘電性媒体として適用することができる。なお、球状ミセル相に限らず、他の形状のミセル相、すなわち、紐状ミセル相、楕円状ミセル相、棒状ミセル相等を誘電性媒体として使用しても、同様の効果を得ることができる。 For example, spherical micelles exhibit a spherical shape by packing molecules (forming molecular aggregates) in all spatial directions. Further, since the size of the spherical micelle is equal to or less than the wavelength of light, it does not show anisotropy and looks isotropic. However, when an electric field is applied to such spherical micelles, the spherical micelles are distorted, so that anisotropy is expressed. Therefore, the lyotropic liquid crystal having a spherical micelle phase can also be applied as the dielectric medium of the display element according to this embodiment. In addition, the same effect can be acquired even if it uses not only a spherical micelle phase but the micelle phase of another shape, ie, a string-like micelle phase, an elliptical micelle phase, a rod-like micelle phase, etc. as a dielectric medium.
また、濃度、温度、界面活性剤の条件によっては、親水基と疎水基とが入れ替わった逆ミセルが形成されることが一般に知られている。このような逆ミセルは、光学的にはミセルと同様の効果を示す。したがって、逆ミセル相を誘電性媒体として適用することにより、ミセル相を用いた場合と同等の効果を奏する。なお、前述した液晶マイクロエマルションは、逆ミセル相(逆ミセル構造)を有するリオトロピック液晶の一例である。 Further, it is generally known that reverse micelles in which a hydrophilic group and a hydrophobic group are exchanged are formed depending on the conditions of concentration, temperature, and surfactant. Such reverse micelles optically show the same effects as micelles. Therefore, by applying the reverse micelle phase as the dielectric medium, the same effect as that obtained when the micelle phase is used can be obtained. The liquid crystal microemulsion described above is an example of a lyotropic liquid crystal having a reverse micelle phase (reverse micelle structure).
また、非イオン性界面活性剤であるペンタエチレングリコール−ドデシルエーテルの水溶液には、図5に示したような、スポンジ相やキュービック相を示す濃度および温度領域が存在する。このようなスポンジ相やキュービック相は、光の波長以下の秩序を有しているので透明な物質である。すなわち、これらの相からなる媒質は、光学的には等方性を示す。そして、これらの相からなる媒質に電圧を印加すると、配向秩序が変化して光学的異方性が発現する。したがって、スポンジ相やキュービック相を有するリオトロピック液晶もまた、本実施の形態にかかる表示素子の誘電性媒体として適用することができる。 In addition, the aqueous solution of pentaethylene glycol-dodecyl ether, which is a nonionic surfactant, has a concentration and temperature range showing a sponge phase and a cubic phase as shown in FIG. Such a sponge phase or cubic phase is a transparent substance because it has an order equal to or less than the wavelength of light. That is, a medium composed of these phases is optically isotropic. When a voltage is applied to a medium composed of these phases, the orientation order changes and optical anisotropy appears. Therefore, a lyotropic liquid crystal having a sponge phase or a cubic phase can also be applied as a dielectric medium of the display element according to this embodiment.
〔液晶微粒子分散系〕
また、誘電性媒体は、例えば、非イオン性界面活性剤ペンタエチレングリコール−ドデシルエーテルの水溶液に、表面を硫酸基で修飾した直径100Å程度のラテックス粒子を混在させた、液晶微粒子分散系であってもよい。上記液晶微粒子分散系ではスポンジ相が発現するが、本実施の形態において用いられる誘電性媒体としては、前述したミセル相、キュービック相、逆ミセル相等を発現する液晶微粒子分散系であってもよい。なお、上記ラテックス粒子に代えて前記DDABを使用することによって、前述した液晶マイクロエマルションと同様な配向構造を得ることもできる。
[Liquid crystal fine particle dispersion]
The dielectric medium is, for example, a liquid crystal fine particle dispersion in which an aqueous solution of a nonionic surfactant pentaethylene glycol-dodecyl ether is mixed with latex particles whose surface is modified with a sulfate group and having a diameter of about 100 mm. Also good. In the liquid crystal fine particle dispersion system, a sponge phase is developed. However, the dielectric medium used in the present embodiment may be a liquid crystal fine particle dispersion system that expresses the aforementioned micelle phase, cubic phase, reverse micelle phase, or the like. In addition, by using the DDAB in place of the latex particles, an alignment structure similar to the liquid crystal microemulsion described above can be obtained.
〔デンドリマー〕
デンドリマーとは、モノマー単位毎に枝分かれのある三次元状の高分岐ポリマーである。デンドリマーは、枝分かれが多いために、ある程度以上の分子量になると球状構造となる。この球状構造は、光の波長以下の秩序を有しているので透明な物質であり、電圧印加によって配向秩序が変化して光学的異方性が発現する。したがって、デンドリマーもまた、本実施の形態にかかる表示素子の誘電性媒体として適用することができる。また、前述した液晶マイクロエマルションにおいてDDABに代えて上記デンドリマーを使用することにより、前述した液晶マイクロエマルションと同様な配向構造を得ることができる。このようにして得られた媒質もまた、上記誘電性媒体として適用することができる。
[Dendrimer]
A dendrimer is a three-dimensional hyperbranched polymer having a branch for each monomer unit. Since dendrimers have many branches, they have a spherical structure when the molecular weight exceeds a certain level. This spherical structure is a transparent material because it has an order equal to or less than the wavelength of light, and its optical orientation is manifested by changing the orientation order when a voltage is applied. Therefore, the dendrimer can also be applied as a dielectric medium of the display element according to the present embodiment. Further, by using the dendrimer in place of DDAB in the liquid crystal microemulsion described above, an alignment structure similar to that of the liquid crystal microemulsion described above can be obtained. The medium thus obtained can also be applied as the dielectric medium.
〔コレステリックブルー相〕
コレステリックブルー相は、螺旋軸が3次元的に周期構造を形成しており、その構造は、高い対称性を有していることが知られている(例えば、非特許文献6・7参照)。コレステリックブルー相は、光の波長以下の秩序を有しているのでほぼ透明な物質であり、電圧印加によって配向秩序が変化して光学的異方性が発現する。すなわち、コレステリックブルー相は、光学的に概ね等方性を示し、電界印加によって液晶分子が電界方向に向こうとするために格子が歪み、異方性を発現する。
[Cholesteric blue phase]
It is known that the cholesteric blue phase has a three-dimensional periodic structure in the helical axis, and the structure has high symmetry (see, for example,
なお、コレステリックブルー相を示す物質としては、例えば、「JC1041」(商品名、チッソ社製混合液晶)を48.2重量%、「5CB」(4−シアノ−4’−ペンチルビフェニル、ネマティック液晶)を47.4重量%、「ZLI−4572」(商品名、メルク社製カイラルドーパント)を4.4重量%の割合で混合してなる組成物が知られている。該組成物は、330.7Kから331.8Kの温度範囲で、コレステリックブルー相を示す。 As a substance exhibiting a cholesteric blue phase, for example, “JC1041” (trade name, mixed liquid crystal manufactured by Chisso Corporation) is 48.2% by weight, “5CB” (4-cyano-4′-pentylbiphenyl, nematic liquid crystal). 47.4% by weight and “ZLI-4572” (trade name, a chiral dopant manufactured by Merck & Co., Inc.) at a ratio of 4.4% by weight are known. The composition exhibits a cholesteric blue phase in the temperature range of 330.7K to 331.8K.
〔スメクチックブルー相〕
スメクチックブルー(BPSm)相は、コステリックブルー相と同様、高い対称性の構造を有し(例えば、非特許文献7、非特許文献10等参照)、光の波長以下の秩序を有しているのでほぼ透明な物質であり、電圧印加によって配向秩序が変化して光学的異方性が発現する。すなわち、スメクチックブルー相は、光学的に概ね等方性を示し、電界印加によって液晶分子が電界方向に向こうとするために格子が歪み、異方性を発現する。
[Smectic blue phase]
The smectic blue (BP Sm ) phase has a highly symmetric structure (for example, see
なお、スメクチックブルー相を示す物質としては、例えば、非特許文献10に記載されているFH/FH/HH−14BTMHC等が挙げられる。該物質は、74.4℃〜73.2℃でBPSm3相、73.2℃〜72.3℃でBPSm2相、72.3℃〜72.1℃でBPSm1相を示す。BPSm相は、非特許文献7に示すように、高い対称性の構造を有するため、概ね光学的等方性が示される。また、物質FH/FH/HH−14BTMHCに電界を印加すると、液晶分子が電界方向に向こうとすることにより格子が歪み、同物質は異方性を発現する。よって、同物質は、本実施の形態にかかる表示素子の誘電性媒体として使用することができる。
In addition, as a substance which shows a smectic blue phase, FH / FH / HH-14BTMHC etc. which are described in the
以上のように、本実施の形態にかかる表示素子において誘電性媒体として使用することができる物質は、電界の印加により光学的異方性(屈折率、配向秩序度)が変化するものでありさえすれば、ポッケルス効果またはカー効果を示す物質であってもよく、キュービック相、スメクチックD相、コレステリックブルー相、スメクチックブルー相の何れかを示す分子からなるものであってもよく、ミセル相、逆ミセル相、スポンジ相、キュービック相の何れかを示すリオトロピック液晶もしくは液晶微粒子分散系であってもよい。また、上記誘電性媒体は、液晶マイクロエマルションやデンドリマー(デンドリマー分子)、両親媒性分子、コポリマー、もしくは、上記以外の有極性分子等であってもよい。 As described above, the substance that can be used as the dielectric medium in the display element according to the present embodiment is one whose optical anisotropy (refractive index, orientational order) changes even when an electric field is applied. In other words, it may be a substance exhibiting the Pockels effect or the Kerr effect, and may be composed of molecules exhibiting any of a cubic phase, a smectic D phase, a cholesteric blue phase, and a smectic blue phase. A lyotropic liquid crystal or a liquid crystal fine particle dispersion system showing any of a micelle phase, a sponge phase, and a cubic phase may be used. The dielectric medium may be a liquid crystal microemulsion, a dendrimer (dendrimer molecule), an amphiphilic molecule, a copolymer, or a polar molecule other than the above.
また、上記誘電性媒体は、液晶性物質に限らず、電圧印加時または電圧無印加時に光の波長以下の秩序構造(配向秩序)を有することが好ましい。秩序構造が光の波長以下であれば、光学的に等方性を示す。したがって、電圧印加時または電圧無印加時に秩序構造が光の波長以下となる誘電性媒体を用いることにより、電圧無印加時と電圧印加時とにおける表示状態を確実に異ならせることができる。 The dielectric medium is not limited to a liquid crystalline substance, and preferably has an ordered structure (orientation order) that is equal to or less than the wavelength of light when a voltage is applied or no voltage is applied. If the ordered structure is less than the wavelength of light, it is optically isotropic. Therefore, by using a dielectric medium whose ordering structure is equal to or less than the wavelength of light when a voltage is applied or when no voltage is applied, the display state when no voltage is applied and when a voltage is applied can be reliably varied.
ここで、上述した特許文献1に記載の表示装置は、上記構造式(1)〜(4)に示される液晶性物質を用いて、本実施の形態と同様に電界の印加による光学的異方性の変化を利用して表示を行うものである。具体的に、特許文献1は、等方相状態の有極性分子を含む媒体(本実施の形態における誘電性媒体)を一対の基板間に挟持した表示装置である。しかしながら、特許文献1に記載の表示装置では、液晶相―等方相相転移温度を低下させることはできる反面、これと同時にカー定数の低下を招くため、よって駆動電圧の上昇を引き起こす結果となった。
Here, the display device described in
そこで、本発明に係る表示素子は、上記誘電性媒体層3の上記誘電性媒体に無極性分子を含んだ表示素子である。
Therefore, the display element according to the present invention is a display element in which the dielectric medium of the dielectric
上記無極性分子としては、後述する実施例にあるようにn−ドデカンを挙げることができるが、本実施の形態においては、これに限定されるものではなく、無極性であればよく、n−ドデカンの他にもn−オクタンや、n−デカン等が挙げられる。なお、その中でもn−デカンが好適であり、n−ドデカンが最も好適である。 Examples of the nonpolar molecule include n-dodecane as described in Examples below, but in the present embodiment, the nonpolar molecule is not limited to this and may be nonpolar. In addition to dodecane, n-octane, n-decane, and the like can be given. Of these, n-decane is preferred, and n-dodecane is most preferred.
さらに、上記無極性分子の含有量としては、特に限定されるものではないが、誘電性媒体に例えば0.5%〜10%の範囲で用いることができる。 Furthermore, the content of the nonpolar molecule is not particularly limited, but it can be used in a dielectric medium in the range of 0.5% to 10%, for example.
無極性分子が上記誘電性媒体に含まれることにより、誘電性媒体における分子集合体において双極子相互作用等の影響を比較的受けにくいため、配向変化が起こり易い。そのため、光学変調に必要な電圧の上昇を抑えることができる。したがって、カー定数の低下を防ぎ、かつ、液晶相―等方相相転移温度も高くない表示素子を実現できる。 By including non-polar molecules in the dielectric medium, the molecular assembly in the dielectric medium is relatively less susceptible to dipolar interactions and the like, and orientation changes are likely to occur. Therefore, an increase in voltage necessary for optical modulation can be suppressed. Therefore, it is possible to realize a display element that prevents the Kerr constant from decreasing and does not have a high liquid crystal phase-isotropic phase transition temperature.
次に、本実施の形態に係る表示素子における表示原理について、以下に説明する。なお、以下の説明では、主に、上記表示素子として透過型の表示素子を使用し、電界無印加時に光学的にはほぼ等方、好適には等方であり、電界印加により光学的異方性が発現する物質を用いる場合を例に挙げて説明するものとするが、本発明はこれに限定されるものではない。 Next, the display principle in the display element according to this embodiment will be described below. In the following description, a transmissive display element is mainly used as the display element, which is optically isotropic and preferably isotropic when no electric field is applied. The case where a substance exhibiting sex is used will be described as an example, but the present invention is not limited to this.
まず、本実施の形態に係る表示素子と、一般的な液晶表示素子との原理の違いについて説明する。 First, the principle difference between the display element according to this embodiment and a general liquid crystal display element will be described.
図6は、図1(a)および(b)に示す表示素子における印加電圧と透過率との関係を示すグラフであり、図7(a)〜(h)は、電界の印加による光学的異方性の変化を利用して表示を行う表示素子と従来の液晶表示素子との表示原理の違いを、電圧無印加時(OFF状態)および電圧印加時(ON状態)における媒質の平均的な屈折率楕円体の形状(屈折率楕円体の切り口の形状にて示す)およびその主軸方向にて模式的に示す断面図であり、図7(a)〜(h)は、順に、電界の印加による光学的異方性の変化を利用して表示を行う表示素子の電圧無印加時(OFF状態)の断面図、該表示素子の電圧印加時(ON状態)の断面図、TN(Twisted Nematic)方式の液晶表示素子の電圧無印加時の断面図、該TN方式の液晶表示素子の電圧印加時の断面図、VA(Vertical Alignment)方式の液晶表示素子の電圧無印加時の断面図、該VA方式の液晶表示素子の電圧印加時の断面図、IPS(In Plane Switching)方式の液晶表示素子の電圧無印加時の断面図、該IPS方式の液晶表示素子の電圧印加時の断面図を示す。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the applied voltage and the transmittance in the display elements shown in FIGS. 1A and 1B. FIGS. 7A to 7H show optical differences caused by the application of an electric field. The difference in display principle between a display element that uses a change in directionality and a conventional liquid crystal display element is explained by the average refraction of the medium when no voltage is applied (OFF state) and when a voltage is applied (ON state). 7 is a cross-sectional view schematically showing the shape of the index ellipsoid (shown by the shape of the cut surface of the refractive index ellipsoid) and its principal axis direction, and FIGS. A cross-sectional view of a display element that displays using a change in optical anisotropy when no voltage is applied (OFF state), a cross-sectional view of the display element when a voltage is applied (ON state), a TN (Twisted Nematic) method Sectional view when no voltage is applied to the liquid crystal display element of FIG. , A cross-sectional view of a VA (Vertical Alignment) liquid crystal display element when no voltage is applied, a cross-sectional view of the VA liquid crystal display element when a voltage is applied, an IPS (In Plane Switching) liquid crystal display element A cross-sectional view when no voltage is applied, and a cross-sectional view when a voltage is applied to the IPS liquid crystal display element are shown.
物質中の屈折率は、一般には等方的でなく方向によって異なっている。この屈折率の異方性は、基板面に平行な方向(基板面内方向)でかつ両電極4および5の対向方向、基板面に垂直な方向(基板法線方向)、基板面に平行な方向(基板面内方向)でかつ両電極4および5の対向方向に垂直な方向を、それぞれx,y,z方向とすると、任意の直交座標系(X1,X2,X3)を用いて下記関係式(1)
In general, the refractive index in a material is not isotropic and varies depending on the direction. This anisotropy of the refractive index is in a direction parallel to the substrate surface (in-plane direction), the opposing direction of the
(nji=nij、i,j=1,2,3)
で表される楕円体(屈折率楕円体)で示される(例えば非特許文献12参照)。ここで、上記関係式(1)を楕円体の主軸方向の座標系(Y1,Y2,Y3)を使用して書き直すと、下記関係式(2)
(N ji = n ij , i, j = 1,2,3)
(Refractive index ellipsoid) (for example, refer nonpatent literature 12). Here, when the above relational expression (1) is rewritten using the coordinate system (Y 1 , Y 2 , Y 3 ) in the principal axis direction of the ellipsoid, the following relational expression (2)
で示される。n1,n2,n3(以下、nx,ny,nzと記す)は主屈折率と称され、楕円体における三本の主軸の長さの半分に相当する。原点からY3=0の面と垂直な方向に進行する光波を考えると、この光波はY1とY2との方向に偏光成分を有し、各成分の屈折率はそれぞれnx,nyである。一般に、任意の方向に進行する光に対しては原点を通り、光波の進行方向に垂直な面が、屈折率楕円体の切り口と考えられ、この楕円の主軸方向が光波の偏光の成分方向であり、主軸の長さの半分がその方向の屈折率に相当する。 Indicated by n 1 , n 2 , n 3 (hereinafter referred to as nx, ny, nz) are called main refractive indexes, and correspond to half the length of the three main axes in the ellipsoid. Considering a light wave traveling in a direction perpendicular to the Y 3 = 0 plane from the origin, this light wave has polarization components in the directions of Y 1 and Y 2, and the refractive indices of the components are nx and ny, respectively. . In general, for light traveling in an arbitrary direction, the plane that passes through the origin and is perpendicular to the traveling direction of the light wave is considered to be the cut surface of the refractive index ellipsoid, and the principal axis direction of this ellipse is the component direction of the polarization of the light wave. Yes, half the length of the main axis corresponds to the refractive index in that direction.
まず、電界の印加による光学的異方性の変化を利用して表示を行う表示素子と従来の液晶表示素子との表示原理の相違について、従来の液晶表示素子として、TN方式、VA方式、IPS方式を例に挙げて説明する。 First, regarding a difference in display principle between a display element that performs display using a change in optical anisotropy due to application of an electric field and a conventional liquid crystal display element, a TN system, a VA system, and an IPS are used as conventional liquid crystal display elements. The method will be described as an example.
図7(c)および(d)に示すように、TN方式の液晶表示素子は、対向配置された一対の基板101および102間に液晶層105が挟持され、上記両基板101および102上にそれぞれ透明電極103および104(電極)が設けられている構成を有し、電圧無印加時には、液晶層105における液晶分子の長軸方向がらせん状に捻られて配向しているが、電圧印加時には、上記液晶分子の長軸方向が電界方向に沿って配向するようになっている。この場合における平均的な屈折率楕円体105aは、電圧無印加時には、図7(c)に示すように、その主軸方向(長軸方向)が基板面に平行な方向(基板面内方向)を向き、電圧印加時には、図7(d)に示すように、その主軸方向が基板面法線方向を向く。すなわち、電圧無印加時と電圧印加時とで、屈折率楕円体105aの形状は変わらずに、その主軸方向が変化する(屈折率楕円体105aが回転する)。
As shown in FIGS. 7C and 7D, in the TN liquid crystal display element, a
VA方式の液晶表示素子は、図7(e)および(f)に示すように、対向配置された一対の基板201および202間に液晶層205が挟持され、上記両基板201および202上にそれぞれ透明電極(電極)203および204が備えられている構成を有し、電圧無印加時には、液晶層205における液晶分子の長軸方向が、基板面に対して略垂直な方向に配向しているが、電圧印加時には、上記液晶分子の長軸方向が電界に垂直な方向に配向する。この場合における平均的な屈折率楕円体205aは、図7(e)に示すように、電圧無印加時には、その主軸方向(長軸方向)が基板面法線方向を向き、図7(f)に示すように、電圧印加時にはその主軸方向が基板面に平行な方向(基板面内方向)を向く。すなわち、VA方式の液晶表示素子の場合にも、TN方式の液晶表示素子と同様、電圧無印加時と電圧印加時とで、屈折率楕円体205aの形状は変わらずに、その主軸方向が変化する(屈折率楕円体205aが回転する)。
As shown in FIGS. 7E and 7F, the VA liquid crystal display element has a
また、IPS方式の液晶表示素子は、図7(g)および(h)に示すように、同一の基板301上に、1対の電極302および303が対向配置された構成を有し、図示しない対向基板との間に挟持された液晶層に、上記電極302および303により電圧が印加されることで、上記液晶層における液晶分子の配向方向(屈折率楕円体305aの主軸方向(長軸方向))を変化させ、電圧無印加時と電圧印加時とで、異なる表示状態を実現することができるようになっている。すなわち、IPS方式の液晶表示素子の場合にも、TN方式およびVA方式の液晶表示素子と同様、図7(g)に示す電圧無印加時と図7(h)に示す電圧印加時とで、屈折率楕円体305aの形状は変わらずに、その主軸方向が変化する(屈折率楕円体305aが回転する)。
In addition, as shown in FIGS. 7G and 7H, the IPS liquid crystal display element has a configuration in which a pair of
このように、従来の液晶表示素子では、電圧無印加時でも液晶分子が何らかの方向に配向しており、電圧を印加することによってその配向方向を変化させて表示(透過率の変調)を行っている。すなわち、屈折率楕円体の形状は変化しないが、屈折率楕円体の主軸方向が電圧印加によって回転(変化)することを利用して表示を行っている。つまり、従来の液晶表示素子では、液晶分子の配向秩序度は一定であり、配向方向を変化させることによって表示(透過率の変調)を行っている。 Thus, in the conventional liquid crystal display element, the liquid crystal molecules are aligned in some direction even when no voltage is applied, and display is performed by changing the alignment direction by applying a voltage (modulation of transmittance). Yes. That is, although the shape of the refractive index ellipsoid does not change, the display is performed by utilizing the fact that the principal axis direction of the refractive index ellipsoid is rotated (changed) by voltage application. That is, in the conventional liquid crystal display element, the degree of alignment order of liquid crystal molecules is constant, and display (modulation of transmittance) is performed by changing the alignment direction.
これに対し、本実施の形態に係る表示素子も含め、電界の印加による光学的異方性の変化を利用して表示を行う表示素子は、図7(a)および(b)に示すように、電圧無印加時における屈折率楕円体3aの形状は球状、すなわち、光学的に等方(nx=ny=nz、配向秩序度=0)であり、電圧を印加することによって異方性(nx>ny、配向秩序度>0)が発現するようになっている。なお、上記nx,ny,nzは、それぞれ、基板面に平行な方向(基板面内方向)でかつ両電極4および5の対向方向の主屈折率、基板面に垂直な方向(基板法線方向)の主屈折率、基板面に平行な方向(基板面内方向)でかつ両電極4および5の対向方向に垂直な方向の主屈折率を表している。
On the other hand, a display element that performs display using a change in optical anisotropy due to application of an electric field, including the display element according to the present embodiment, is shown in FIGS. 7A and 7B. The shape of the
本実施の形態に係る表示素子は、光学的異方性の方向は一定(電圧印加方向は変化しない)で例えば配向秩序度を変調させることによって表示を行うものであり、従来の液晶表示素子とは表示原理が大きく異なっている。 The display element according to the present embodiment performs display by modulating the degree of orientation order, for example, with the direction of optical anisotropy being constant (the voltage application direction does not change). The display principle is very different.
本実施の形態に係る表示素子について具体的に説明すると以下の通りである。図8は、本実施の形態に係る表示素子に関する図である。図8(a)および(b)はともに、電界無印加状態(OFF状態)における本実施の形態に係る表示素子の構成を模式的に示す図であり、図8(a)は断面図であり、図8(b)は要部平面図である。また図8(c)および(d)はともに、電圧印加状態(ON状態)における上記表示素子の構成を模式的に示す図であり、図8(c)は断面図であり、図8(d)は要部平面図である。なお、図8(b)および(d)は、上記表示素子における1画素中の構成を示すものとし、説明の便宜上、対向基板12の構成については図示を省略する。なお、上記電極4および5としては、図2に示したように、連続した楔型構造であることが好ましい。
The display element according to this embodiment will be specifically described as follows. FIG. 8 is a diagram related to the display element according to the present embodiment. FIGS. 8A and 8B are both diagrams schematically showing a configuration of the display element according to the present embodiment in a state where no electric field is applied (OFF state), and FIG. 8A is a cross-sectional view. FIG. 8B is a plan view of the main part. FIGS. 8C and 8D are both diagrams schematically showing the configuration of the display element in a voltage application state (ON state), FIG. 8C is a cross-sectional view, and FIG. ) Is a plan view of the main part. 8B and 8D show the configuration of one pixel in the display element, and the illustration of the configuration of the
本実施の形態に係る表示素子は、図8(a)および(b)に示すように、電極4および5に電圧を印加していない状態では、基板1および2間に封入される誘電性媒体(誘電性媒体層3)が等方相を示し、光学的にも等方となるので、黒表示になる。
As shown in FIGS. 8A and 8B, the display element according to the present embodiment is a dielectric medium sealed between the
一方、図8(c)および(d)に示すように、電極4および5に電圧を印加すると、上記誘電性媒体の各分子が、その長軸方向が上記電極4および5間に形成される電界に沿うように配向されるので、複屈折現象が発現する。この複屈折現象により、電極4および5間の電圧に応じて表示素子の透過率を変調することができる。
On the other hand, as shown in FIGS. 8 (c) and 8 (d), when a voltage is applied to the
なお、相転移温度(転移点)から十分遠い温度においては表示素子の透過率を変調させるために必要な電圧は大きくなるが、転移点のすぐ直上の温度では0〜100V前後の電圧で、十分に透過率を変調させることが可能になる。 Note that the voltage required to modulate the transmittance of the display element increases at a temperature sufficiently far from the phase transition temperature (transition point), but a voltage of about 0 to 100 V is sufficient at a temperature immediately above the transition point. It is possible to modulate the transmittance.
例えば、非特許文献9および非特許文献12によれば、電界方向の屈折率と、電界方向に垂直な方向の屈折率とを、それぞれn//、n⊥とすると、複屈折変化(Δn=n//−n⊥)と、外部電界、すなわち電界E(V/m)との関係は、下記関係式(3)
Δn=λ・Bk・E2 …(3)
で表される。なお、λは真空中での入射光の波長(m)、Bkはカー定数(m/V2)、Eは印加電界強度(V/m)である。
For example, according to
Δn = λ · B k · E 2 (3)
It is represented by Here, λ is the wavelength (m) of incident light in vacuum, B k is the Kerr constant (m / V 2 ), and E is the applied electric field strength (V / m).
カー定数Bは、温度(T)の上昇とともに1/(T−Tni)に比例する関数で減少することが知られており、転移点(Tni)近傍では弱い電界強度で駆動できていたとしても、温度(T)が上昇するとともに急激に必要な電界強度が増大する。このため、転移点から十分遠い温度(転移点よりも十分に高い温度)では透過率を変調させるために必要な電圧が大きくなるが、相転移直上の温度では、約100V以下の電圧で、透過率を十分に変調させることができる。 The Kerr constant B is known to decrease with a function proportional to 1 / (T-Tni) as the temperature (T) increases, and even if it can be driven with a weak electric field strength near the transition point (Tni). As the temperature (T) rises, the required electric field strength increases rapidly. For this reason, the voltage necessary for modulating the transmittance increases at a temperature sufficiently far from the transition point (a temperature sufficiently higher than the transition point), but at a temperature immediately above the phase transition, the transmission is performed at a voltage of about 100 V or less. The rate can be modulated sufficiently.
これまで、カー効果を示す物質は、数マイクロ秒〜数ミリ秒の応答特性を示すので、表示装置による表示を入力電圧に対して高速に応答させるために用いられることが期待されていながら、カー効果を利用した表示素子は、駆動電圧が高く、液晶相−等方相相転移温度が高いといった問題が挙げられていた。 Until now, a substance exhibiting the Kerr effect has a response characteristic of several microseconds to several milliseconds, so that it is expected to be used to make a display by a display device respond to an input voltage at a high speed. The display element using the effect has a problem that the driving voltage is high and the liquid crystal phase-isotropic phase transition temperature is high.
そこで、上述したように特許文献1に記載された表示装置は、エチルアルコール等の有極性分子を液晶材料に加えることにより液晶相―等方相相転移温度を低下させることができ、課題であった液晶相−等方相相転移温度が高いという問題を解消できたというものであった。しかしながら、特許文献1に記載された表示装置における方法では、液晶相―等方相相転移温度を低下させることは可能となったが、液晶相―等方相相転移温度を低下させると同時にカー定数の低下を招き、これによって駆動電圧の上昇を引き起こすことが、本願発明者等が検討した結果判った。
Therefore, as described above, the display device described in
そこで、上述したように本発明に係る表示素子は、上記誘電性媒体に、無極性な分子を含むものである。無極性な分子は、誘電性媒体における分子集合体において双極子相互作用等の影響を比較的受けにくいため、配向変化が起こり易い。そのため、光学変調に必要な電圧の上昇を抑えることができる。 Therefore, as described above, the display element according to the present invention includes non-polar molecules in the dielectric medium. Nonpolar molecules are less susceptible to effects such as dipole interactions in a molecular assembly in a dielectric medium and are therefore subject to orientation changes. Therefore, an increase in voltage necessary for optical modulation can be suppressed.
本実施の形態においては、上述したように、上記電極4および5が一方の基板1における他方の基板2との対向面上に互いに対向配置されている。カー効果は、上述したように、物質の屈折率変化Δnが電界Eの二乗に比例し、通常、電界Eの印加方向と発生する複屈折異方性の方向とは平行の関係になる。したがって、この複屈折率変化Δnを光信号として取り出すためには、例えば、電界Eの印加方向と光の進行方向とが直交するような光学配置にする必要がある。通常の表示装置では、光は基板面に対して垂直の方向に通過するため、この時の電界Eの印加方向は、基板面に平行な方向にする必要がある。
In the present embodiment, as described above, the
したがって図1および図2に示すように、一対の基板のうち少なくとも一方の基板の内側面に、電界印加手段である電極4および5を形成することで、電界印加で発生する複屈折異方性を、光信号の変化として容易に取り出すことができる。
Accordingly, as shown in FIGS. 1 and 2, birefringence anisotropy generated by electric field application is formed by forming
以下に、本発明を実施例および比較例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
〔実施例〕
以下の説明は、本実施の形態に係る、誘電性媒体に無極性分子を含む表示素子について記載する。また〔比較例〕として、誘電性媒体に有極性分子を含む表示素子について記載する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited thereto.
〔Example〕
The following description describes a display element including a nonpolar molecule in a dielectric medium according to the present embodiment. As a [Comparative Example], a display element including a polar molecule in a dielectric medium will be described.
図1に示す構成の表示素子として、電極4および5としてITOを使用した。具体的には、電極4および5は、線幅5μm、電極間距離5μm、電極の厚み0.6μmとし、上述したように基板表面上に、90度±10度未満の角度をなす楔型を有する電極とした。基板にはガラス基板を用いた。また誘電性媒体として、上記に示した構造式(5)〜(7)を等量ずつ混合した混合物を使用し、さらにこの混合物にn−ドデカンを2%添加したものを用いた。
ITO was used as the
誘電性媒体層3の層厚(すなわち基板1と2との間の距離)は10μmとした。さらに、両方の上記ガラス基板の外側には偏光板を配置し、両方の上記ガラス基板の内側にはポリイミドからなる配向膜を形成した。配向膜にはあらかじめ水平ラビング処理を施した。
The layer thickness of the dielectric medium layer 3 (that is, the distance between the
外部加温装置(加熱手段)により上記混合物(誘電性媒体)をネマティック等方相の相転移直上近傍の温度に保ち、電圧印加を行った。 The mixture (dielectric medium) was kept at a temperature immediately above the phase transition of the nematic isotropic phase by an external heating device (heating means), and voltage was applied.
〔比較例〕
次に比較例として、誘電性媒体に有極性分子を含む表示素子を用いた。すなわち、比較例として、図1に示す構成の表示素子のうち、誘電性媒体として、上記構造式(5)〜(7)の等量混合物に有極性分子としてエチルアルコールを1%添加したものを用いた。それ以外の構成については、上記実施例と同一の構成を備えたものを用いた。
[Comparative example]
Next, as a comparative example, a display element including a polar molecule in a dielectric medium was used. That is, as a comparative example, among the display elements having the configuration shown in FIG. 1, a dielectric medium in which 1% of ethyl alcohol is added as a polar molecule to an equivalent mixture of the above structural formulas (5) to (7). Using. For other configurations, those having the same configuration as in the above embodiment were used.
上記実施例と同様、外部加温装置(加熱手段)により上記混合物(誘電性媒体)をネマティック等方相の相転移直上近傍の温度に保ち、電圧印加を行った。 As in the above example, the mixture (dielectric medium) was kept at a temperature immediately above the phase transition of the nematic isotropic phase by an external heating device (heating means), and voltage was applied.
これら2種類の表示素子について、液晶相―等方相相転移温度および最大透過率を測定した。結果を下記の表に示す。 For these two types of display elements, the liquid crystal phase-isotropic phase transition temperature and the maximum transmittance were measured. The results are shown in the table below.
すなわち、上記実施例における表示装置は、等方相―液晶相相転移温度が62℃であった。等方相―液晶相相転移温度近傍の温度に保ち、電圧印加を行うと、最大透過率が48Vで得られた。また、上記比較例における表示装置は、等方相―液晶相相転移温度が60℃であった。等方相―液晶相相転移温度近傍の温度に保ち、電圧印加を行うと最大透過率は51Vで得られた。 That is, the display device in the above example had an isotropic phase-liquid crystal phase transition temperature of 62 ° C. When a voltage was applied while maintaining the temperature near the isotropic phase-liquid crystal phase transition temperature, the maximum transmittance was obtained at 48V. The display device in the comparative example had an isotropic phase-liquid crystal phase transition temperature of 60 ° C. When a voltage was applied while maintaining the temperature near the isotropic phase-liquid crystal phase transition temperature, the maximum transmittance was obtained at 51V.
上記の結果から、本発明に係る表示素子に用いられる誘電性媒体は、比較例より最大透過率が得られる印加電圧が小さいことが分かる。すなわち、無極性分子を誘電性媒体に含むことによって、カー効果の低下を引き起こさない、かつ、液晶相―等方相相転移が高くない誘電性媒体が実現できる。 From the above results, it can be seen that the dielectric medium used in the display element according to the present invention has a smaller applied voltage that provides the maximum transmittance than the comparative example. That is, by including nonpolar molecules in the dielectric medium, it is possible to realize a dielectric medium that does not cause a decrease in the Kerr effect and does not have a high liquid crystal phase-isotropic phase transition.
本発明において誘電性媒体に添加した分子は無極性であるため、比較例とは異なり混合物質内でのパッキングにおいて、双極子相互作用等の影響を比較的受けにくいためあまり束縛されない。よって、分子の配向変化がより起こり易くなり、駆動電圧が下がったと考えられる。 In the present invention, since the molecules added to the dielectric medium are nonpolar, unlike the comparative example, the packing in the mixed material is relatively unaffected by the influence of dipole interactions and the like, so that it is not so constrained. Therefore, it is considered that the molecular orientation change is more likely to occur and the driving voltage is lowered.
以上により、無極性分子を誘電性媒に添加することにより光学変調に必要な電圧の上昇を比較例とは異なり抑えることが出来ると考えられる。 As described above, it is considered that an increase in voltage necessary for optical modulation can be suppressed by adding nonpolar molecules to the dielectric medium, unlike the comparative example.
したがって、本発明に係る表示素子は、高速応答特性を示すカー効果を利用した場合であっても、光学変調を行う温度をその駆動電圧の上昇を抑えながら低下させることが可能であることがわかった。 Therefore, the display element according to the present invention can reduce the temperature at which optical modulation is performed while suppressing an increase in the driving voltage even when the Kerr effect exhibiting high-speed response characteristics is used. It was.
すなわち、本発明に係る表示装置は、一対の基板間に狭持される誘電性媒体に無極性分子を含むことにより、カー効果を利用した表示装置であっても、カー効果の低下を引き起こさない、かつ液晶相―等方相相転移が高くない誘電性媒体からなる表示素子を提供することができる。 That is, the display device according to the present invention includes a nonpolar molecule in a dielectric medium sandwiched between a pair of substrates, so that the Kerr effect is not lowered even in a display device using the Kerr effect. In addition, it is possible to provide a display element made of a dielectric medium that does not have a high liquid crystal phase-isotropic phase transition.
したがって、広視野角特性および高速応答特性に優れた表示素子であり、例えば、テレビやモニター等の画像表示装置や、ワープロやパーソナルコンピュータ等のOA機器、あるいは、ビデオカメラ、デジタルカメラ、携帯電話等の情報端末等に備えられる画像表示装置に、広く適用することができる。また、本発明の表示素子は、上記したように、広視野角特性および高速応答特性を有し、また、コントラストの低下を防止することができるので、大画面表示や動画表示にも適している Therefore, it is a display element excellent in wide viewing angle characteristics and high-speed response characteristics. For example, an image display device such as a television or a monitor, an OA device such as a word processor or a personal computer, a video camera, a digital camera, a mobile phone, etc. The present invention can be widely applied to image display devices provided in such information terminals. In addition, as described above, the display element of the present invention has a wide viewing angle characteristic and a high-speed response characteristic, and can prevent a decrease in contrast, and thus is suitable for large-screen display and moving image display.
1 基板
2 基板
3 誘電性媒体層
3a 屈折率楕円体
4 電極(電界印加手段)
4a 櫛歯部分(楔型)
5 電極(電界印加手段)
5a 櫛歯部分(楔型)
6 偏光板
6a 吸収軸
7 偏光板
7a 吸収軸
8 電界
9 配向膜
10 配向膜
11 画素基板
12 対向基板
DESCRIPTION OF
4a Comb teeth (wedge type)
5 Electrodes (electric field applying means)
5a Comb teeth (wedge type)
6 Polarizing
Claims (14)
上記一対の基板間に挟持され、電界の印加により光学的異方性が変化する誘電性媒体とを備えた表示素子であって、
上記誘電性媒体は、無極性分子を含むことを特徴とする表示素子。 A pair of substrates at least one of which is transparent;
A display element comprising a dielectric medium sandwiched between the pair of substrates and having optical anisotropy changed by application of an electric field,
The display element, wherein the dielectric medium includes nonpolar molecules.
上記一対の基板のうち、少なくとも一方の基板における上記誘電性媒体との対向面とは反対側に偏光板とを備えていることを特徴とする請求項1に記載の表示素子。 An electric field applying means for applying an electric field to the dielectric medium;
The display element according to claim 1, further comprising: a polarizing plate on a side opposite to the surface facing the dielectric medium in at least one of the pair of substrates.
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